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ÍNDICE Capítulo 1 Pneumática ............................................................................................................................... 5 1.1 Introdução ........................ ............ ......................... .................. ..... ......................................... ................... ............................................. ..........................................5 ...................5 1.2 Exemplos de aplicação de automação pneumática ... ......................................... .................. ........................................6 .................6 1.3 Vantagens e desvantagens da automatização pneumática .............. ........... ... ...................................8 ................................ ...8 1.4 Unidades ........................ ............ ......................... .................... ....... ......................................... ................... ............................................. ..........................................9 ...................9
Capítulo 2 Características Físicas e Fenômenos da Pneumática ......................... ............ ......................... ......................... ................... ...... 10 2.1 Introdução ...................................................................................................... ....................10 2.2 Expansibilidade, compressibilidade, difusibilidade e elasticidade elasticidade ......................................11 ....................... ...............11 2.3 Terminologia para a medição de pressão .......................... ............. ....................... .......... ......................................12 ....................... ...............12 2.4 Transformação isobárica, isotérmica e isométrica ....................... ............. .......... ......................................14 ....................... ...............14 2.5 Umidade relativa do ar ................................................................. ......................................16
Capítulo 3 Produção e Preparação do Ar Comprimido ........................................................................ 17 3.1 Introdução ........................ ............ ......................... ................ ... ......................................... .................. .............................................. ..........................................17 ...................17 3.2 Compressores......................... ............ ...................... ......... ......................................... .................. .............................................. ..........................................18 ...................18 3.3 Secagem do ar comprimido ............................................. ..................................................26 3.4 Redes de distribuição de ar comprimido ......................... ............. .............. ..................................................28 ............................. .....................28 3.5 Reservatório de ar comprimido ........................................ ..................................................30 3.6 Vazamento de ar comprimido .......................................... ..................................................30
Capítulo 4 Tratamento e Controle do Ar Comprimido .......................................................................... 32 4.1 Introdução ........................................................................ ..................................................32 4.2 Filtro ................................................................................. ..................................................33 4.3 Válvula reguladora de pressão ........................................ ..................................................33 4.4 Lubrificador ...................................................................... ..................................................34
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ÍNDICE Capítulo 1 Pneumática ............................................................................................................................... 5 1.1 Introdução ........................ ............ ......................... .................. ..... ......................................... ................... ............................................. ..........................................5 ...................5 1.2 Exemplos de aplicação de automação pneumática ... ......................................... .................. ........................................6 .................6 1.3 Vantagens e desvantagens da automatização pneumática .............. ........... ... ...................................8 ................................ ...8 1.4 Unidades ........................ ............ ......................... .................... ....... ......................................... ................... ............................................. ..........................................9 ...................9
Capítulo 2 Características Físicas e Fenômenos da Pneumática ......................... ............ ......................... ......................... ................... ...... 10 2.1 Introdução ...................................................................................................... ....................10 2.2 Expansibilidade, compressibilidade, difusibilidade e elasticidade elasticidade ......................................11 ....................... ...............11 2.3 Terminologia para a medição de pressão .......................... ............. ....................... .......... ......................................12 ....................... ...............12 2.4 Transformação isobárica, isotérmica e isométrica ....................... ............. .......... ......................................14 ....................... ...............14 2.5 Umidade relativa do ar ................................................................. ......................................16
Capítulo 3 Produção e Preparação do Ar Comprimido ........................................................................ 17 3.1 Introdução ........................ ............ ......................... ................ ... ......................................... .................. .............................................. ..........................................17 ...................17 3.2 Compressores......................... ............ ...................... ......... ......................................... .................. .............................................. ..........................................18 ...................18 3.3 Secagem do ar comprimido ............................................. ..................................................26 3.4 Redes de distribuição de ar comprimido ......................... ............. .............. ..................................................28 ............................. .....................28 3.5 Reservatório de ar comprimido ........................................ ..................................................30 3.6 Vazamento de ar comprimido .......................................... ..................................................30
Capítulo 4 Tratamento e Controle do Ar Comprimido .......................................................................... 32 4.1 Introdução ........................................................................ ..................................................32 4.2 Filtro ................................................................................. ..................................................33 4.3 Válvula reguladora de pressão ........................................ ..................................................33 4.4 Lubrificador ...................................................................... ..................................................34
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Capítulo 5 Atuadores Pneumáticos ........................................................................................................ 35 5.1 Introdução ........................................................................ ..................................................35 5.2 Atuadores lineares (cilindros)........................................... ..................................................35 5.3 Cilindros rotativos ............................................................ ..................................................38 5.4 Tecnologia do vácuo ........................................................ ..................................................41
Capítulo 6 Projetos de Sistemas Pneumáticos ..................................................................................... 44 6.1 Dimensionamento de cilindros pneumáticos .................... ............. ....... ....................................... .............. ....................................44 ...........44
Capítulo 7 Dimensionamento da Rede de Ar ......................................................................................... 48 7.1 Dimensionamento de rede secundária (ramal) ................ ............. ... ................................................. ........................ ..........................48 .48 7.2 Dimensionamento de rede principal (tronco) ................... ..................................................48
Capítulo 8 Válvulas Pneumáticas ........................................................................................................... 50 8.1 Introdução ........................................................................ ..................................................50 8.2 Simbologia ....................................................................... ..................................................50 8.3 Identificação ..................................................................... ..................................................51 8.4 Acionamentos e acessórios ............................................. ..................................................53 8.5 Válvulas especiais ........................................................... ..................................................54 8.6 Escapes ........................................................................... ..................................................54 8.7 Válvulas acionadas .......................................................... ..................................................54 8.8 Circuitos com válvula 3/2 vias........................ ............ ......................... .................. ..... ................................................. ........................ ..........................55 .55 8.9 Circuitos com válvula 5/2 vias........................ ............ ......................... .................. ..... ................................................. ........................ ..........................55 .55 8.10 Válvula de controle de fluxo ........................................... ..................................................55 8.11 Válvula de controle de fluxo bidirecional ........................ ............. ........... ................................. .......... ........................................56 .................56 8.12 Válvula alternadora (elemento OU)......................... ............ .................... ....... ......................................... .................. ................................56 .........56 8.13 Válvula de simultaneidade (elemento E) ........................ ............. ........... ............................. ........ ..........................................56 .....................56 8.14 Válvula de escape rápido ............................................... ..................................................57 8.15 Válvula limitadora de pressão ........................................ ..................................................58 8.16 Válvula de seqüência ..................................................... ..................................................59 8.17 Temporizadores pneumáticos ........................................ ..................................................60
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Capítulo 9 Técnicas de Desenvolvimento de Circuitos ........................................................................ 61 9.1 Introdução ........................................................................ ..................................................61 9.2 Representação abreviada em seqüência Algébrica ......... ..................................................62 9.3 Representação em diagrama trajeto-passo ..................... ..................................................62 9.4 Representação em diagrama trajeto-tempo ..................... ..................................................62 9.5 Diagrama de comando..................................................... ..................................................63 9.6 Designação dos elementos .............................................. ..................................................63 9.7 Desenvolvimento de circuitos pelo método intuitivo ......... ..................................................64 9.8 Desenvolvimento de circuitos pelo método passo a passo.................................................67 9.9 Desenvolvimento de circuitos pelo método cascata ........ ..................................................68
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Pneumática 1.1 Introdução O termo pneumática é derivado do grego “Pneumos” ou “Pneuma” (respiração, sopro) e é definido como a parte da Física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases ou vácuos. É também o estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho. O primeiro homem que se ocupou com a pneumática, ou seja, da aplicação do ar comprimido foi KTESIBIOS, durante a primeira metade do terceiro milênio antes de Jesus Cristo. Inventou um canhão pneumático manual, para comprimir o ar o que permitiu aumentar a distancia do tiro. Foi preciso esperar ate ao ano de 1850 para ver renascer esta técnica. Na Idade Media, ensaios e cálculos foram elaborados, e ainda conservam certo valor nos nossos dias. Mas ficou somente nos ensaios. A era industrial, com a locomotiva, deu novo impulso a esta técnica. Estes grandes projetos obrigaram os técnicos a procurar novos métodos de furação. Os furadores pneumáticos, pela sua propriedade antideflagrante e pelo seu fraco aquecimento, responderam a estes novos critérios. A primeira grande aplicação teve lugar na furação do Monte Ceni em 1860 . A produção do ar comprimido e os aparelhos pneumáticos não pararam de evoluir. Em Paris, nasceu em 1888 uma instalação de 24.000 CV distribuindo ar comprimido as diferentes industrias. Nesta primeira fase industrial, a utilização do ar comprimido limitou-se aos motores rotativos ou de choque, sendo que somente nestes últimos 20 anos foi o desenvolvimento de componentes pneumáticos. A vantagem dos aparelhos pneumáticos foi reconhecida por todos os setores industriais. Hoje em dia, o ar comprimido faz parte integrante da industria. Resumindo, podemos sintetizar a Pneumática como a ciência que estuda a utilização do ar atmosférico como fonte de energia, cabendo aos equipamentos pneumáticos e outros artefatos a transformação desta energia em trabalho. A Pneumática abrange também o estudo sistemático da utilização do ar comprimido na tecnologia de acionamentos, comando e controle de sistemas automáticos.
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1.2 Exemplos de aplicação de automação pneumática
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1.3 Vantagens e desvantagens da automatização pneumática As vantagens como também as limitações do uso da pneumática resultam basicamente de duas importantes propriedades do ar, as quais são a sua compressibilidade e a sua viscosidade.
Principais Vantagens da Pneumática • •
• • • • • • • • • • • •
Energia facilmente armazenável e transportável; O meio de transporte de energia, o ar, é constantemente renovado pela sucção do compressor, sem problemas de envelhecimento, e não são necessárias canalizações de retorno; O ar, como fluído de trabalho, não causa problemas ao meio ambiente; Velocidades dos atuadores relativamente grandes; Fácil integração com a microeletrônica; Possibilidade de integração com sistemas de automação e controle; Boa relação potência/peso; Padronização e robustez dos componentes pneumáticos; Enorme flexibilidade de usos e aplicações; Fácil variação contínua das forças e velocidades de atuação; Durabilidade, segurança e facilidade de operação; Utilizável em ambiente explosivo; A sobrecarga não causa problemas de danos nos componentes; Praticamente insensíveis às mudanças de temperatura, os componentes pneumáticos podem ser usados em altas temperaturas.
Principais Desvantagens, ou Limitações da Pneumática •
• •
• •
Deslocamento não uniforme do atuador quando as forças são variáveis, devido à compressibilidade do ar; Limitações das forças máximas de trabalho; Pouco amortecimento, devido à baixa viscosidade do ar, propiciando o surgimento de oscilações no movimento; Maiores custos da energia com o ar comprimido, comparado com os da energia elétrica; Liberação de óleo nebulizado no ambiente de trabalho quando não se usam canalizações para o retorno do ar.
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1.4 Unidades
Unidades Básicas Grandeza Comprimento Massa Tempo Temperatura Intensidade da corrente Intensidade luminosa Quantidade de substância
Símbolo l m t T I l
n
Sistema Internacional S.I. Metro (m) Quilograma (Kg) Segundo (s) Kelvin (K) Ampère (A) Candela (cd) Mol (mol)
Sistema Técnico Metro (m) kp.s²/m Segundo (s) grau Celsius (°C) Ampère (A) ---
Unidades Derivadas Grandeza Força Área Volume Vazão Pressão
Símbolo F A V Q p
Sistema Internacional S.I. Newton (N) 1N = 1kg.m/s² Metro quadrado (m²) Metro cúbico (m³) m³/s Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m² 1 bar = 100 kPa
Sistema Técnico Kilopond (kp) Kilogr. Força (kgf) Metro quadrado (m²) Metro cúbico (m³) m³/s Atmosfera (atm) kp/cm² kgf/cm²
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Características Físicas e Fenômenos da Pneumática 2.1 Introdução O ar no estado de repouso (figura abaixo), são partículas em suspensão se chocando uma nas outras em um movimento constante, permanecendo em equilíbrio pelas forças de atração e repulsão até que outro fenômeno possa interferir.
Os equipamentos pneumáticos são utilizados a partir da ciência que estuda a utilização do ar atmosférico como fonte de energia, transformando desta energia em trabalho, podendo ser para tecnologia de acionamentos, comando e controle de sistemas automatizados. O ar é um gás composto por 78% do seu volume de Nitrogênio (Azoto) e 21% do volume de Oxigênio perfazendo um volume total de 99%. O restante 1% se compõe de dióxido de carbono e da presença de vários gases nobres como Argônio, Xenônio, Hélio, Neônio, Hidrogênio e também de vapor de água (umidade). O ar é incolor, inodoro e insípido, mas reconhece-se facilmente a sua presença quando respiramos ou quando vemos a oscilação das árvores, e além disso tem peso, ocupa espaço, é compressível, tem forma variável e tem pressão atmosférica.
Ar com Pressão Igual da Atmosféra Ar com Pressão Maior que Atmosféra
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2.2 Expansibilidade, compressibilidade, difusibilidade e elasticidade A tabela abaixo apresenta as simbologias das próximas figuras para o melhor entendimento das propriedades físicas do ar.
Para a análise das propriedades físicas do ar deve-se levar em consideração o estado inicial e o estado final. Estes estados são gerados pelas modificações do sistema, como a abertura de uma válvula ou a atuação de força externa, podendo ou não causar alterações no volume e/ou na pressão. Podemos dizer que o ar tem 4 propriedades físicas conforme descrito abaixo: •
•
•
•
Expansibilidade – Propriedade de ocupar todo o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato; Compressibilidade – Característica de reduzir seu volume, aumentando a pressão quando sujeito à ação de uma força externa; Difusibilidade – Misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado; Elasticidade – Particularidade de ocupar um volume que inicialmente era menor.
Com o princípio do sistema mecânico é possível entender as propriedades físicas do ar e poder relacionar posteriormente com as vantagens e desvantagens de se utilizar a pneumática para a automação como forma de energia.
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Expansibilidade “Qualquer Formato”
Difusibilidade “Mistura”
Compressibilidade
Elasticidade
2.3 Terminologia para a medição de pressão O ar tem peso e por este motivo, as camadas inferiores são comprimidas pelas camadas superiores, portanto, quanto mais próximo da terra maior será a pressão exercida pelo ar. Na próxima podemos visualizar que a pressão atmosférica diminui conforme aumenta a altitude. Na experiência de Torricelli, inventor do barômetro, mostrou que a pressão atmosférica pode ser medida por uma coluna de mercúrio e que ao nível do mar suporta uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. O experimento era basicamente encher um tubo de mercúrio e inverter em outro recipiente também contendo mercúrio, com isso, a pressão atmosférica manten a altura da coluna de mercúrio.
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A pressão de 1 atm ou 1,013 bar é correspondente a 760 mm de Hg, considerando a altitude no nível do mar com a temperatura em 0ºC (273 Kelvin), porém, no Sistema Internacional (S.I.) ficou convencionado que o estado normal a temperatura seria de 20ºC (293 K) e a pressão de 100Kpa (1bar), portanto, 1 Nm³ de ar comprimido é um metro cúbico de ar a uma pressão de 100Kpa e a 20ºC (293 K), contudo, quando for necessário calcular as mudanças de estado do ar comprimido ou o consumo nas instalações de sistemas pneumáticos, deve-se utilizar estas unidades. A terminologia na medição de pressão, relaciona as pressões com base em dois pontos de partida, o vácuo absoluto que é a ausência de pressão e a pressão atmosférica correspondente ao estado normal, sendo assim, quando a medida da pressão for realizada tendo como base de partida o vácuo absoluto podemos dizer que esta pressão é absoluta, porém, se a base for a pressão atmosférica devemos chamar de pressão relativa ou manométrica conforme a descrição abaixo. 1 - Pressão Absoluta; 2 - Pressão Absoluta menor que 1 atm; 3 - Pressão Relativa ou Manométrica; 4 - Pressão Relativa ou Manométrica menor que 1 atm ou Vácuo Relativo.
Para os cálculos de vazão e consumo de ar comprimido utiliza-se a pressão absoluta que é a soma da pressão atmosférica e da pressão relativa ou manométrica.
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2.4 Transformação isobárica, isotérmica e isométrica Considerando um recipiente hermético, se alterarmos a temperatura ou o volume ou a pressão, consequentemente as outras variáveis estarão também sujeitas à alterações, conforme expressa pela equação abaixo.
P1 ⋅ V 1 T 1
=
P 2 ⋅ V 2 T 2
Se qualquer uma das variáveis sofrer alteração, o efeito nas outras poderá ser previsto, no entanto, as leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referem-se a transformações de estado, porém, com uma das variáveis físicas permanecendo constante, ou seja, desconsiderando as pequenas variações de uma das variáveis. Estas transformação tem o nome característico relacionado com a variável que se permanecerá constante. Na transformação Isobárica a pressão que se manten constante no sistema.
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Na transformação Isométrica é o volume que se manten constante no sistema.
Na transformação Isotérmica é a temperatura que se manten constante no sistema.
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2.5 Umidade relativa do ar Umidade do ar nada mais é do que a quantidade de vapor d’água presente no ar atmosférico. Quando dizemos que a umidade relativa do ar é 80%, significa que o ar permanece com 20 % da capacidade reter vapor d’água. A quantidade de água que o ar pode reter depende inteiramente da temperatura, portanto, dependendo da temperatura a quantidade de água que o ar pode reter varia. A tabela mostra esta variação em gramas por metro cúbico (g/m³) de água para uma faixa de - 40ºC até + 40ºC, com a pressão em 1 atm, podendo ser chamado também como ponto de saturação, ou seja, a partir deste ponto a água se condensa.
Quando o ar atmosférico é comprimido a capacidade de retenção de vapor de água é o equivalente ao seu volume final, a menos que a temperatura não aumente substancialmente, a água excedente será eliminada por condensação. A umidade relativa do ar em porcentagem é expressa pelo coeficiente da quantidade real pela quantidade máxima que o ar pode reter de água em função da temperatura.
Em caso de ter de calcular a quantidade de condensado que se produz numa instalação recomenda-se o uso do Nm³/h (ar aspirado pelo compressor). O compressor quando aspira o ar, faz com que a temperatura do ar aumente, com isso a capacidade que reter água no ar também aumenta e mesmo que o volume diminua com a compressão, a água não condensa. Posteriormente a água irá se condensar, porque a troca de calor com o meio externo fará com que a temperatura volte ao normal, porém o volume permanecerá menor, com isso a capacidade de reter água no ar vai diminuir fazendo que a água condense. Este condensado dever ser eliminado antes que chegue ao sistema, para evitar atingir os equipamentos pneumáticos. Resfriadores, secadores, filtros e principalmente tubulações corretamente calculadas e instaladas reduzem as chances da água chegar nos equipamentos pneumáticos. 16
Produção e Preparação do Ar Comprimido 3.1 Introdução Para que os equipamentos pneumáticos funcionem satisfatoriamente deve-se tomar os devidos cuidados com ar comprimido que irá operá-los. Em geral, o ar comprimido é produzido de forma centralizada e distribuído na fábrica. Para atender às exigências de qualidade deve passar pelas seguintes etapas. Geração Resfriamento Secagem Filtração • • • •
Nessa figura cada equipamento por onde o ar passa é representado, por um símbolo. Em pneumática existe uma simbologia para representar todos os equipamentos pneumáticos. Assim estão representados na figura, por exemplo, os símbolos do filtro, compressor, motor (elétrico ou de combustão), resfriador, secador e reservatório. Vemos que o ar é aspirado pelo compressor, que é a máquina responsável por comprimir o ar. A taxa de compressão é em geral 1:7 ou 1:8 ou seja, o ar atmosférico à 1 bar é comprimido para 7 ou 8 bar. Na entrada do compressor existe um filtro para reter partículas sólidas do ar do meio ambiente. Ao ser comprimido, o ar aquece aumentando a temperatura em até 7 vezes. Assim é necessário resfriálo, para que a alta temperatura não danifique a tubulação e para auxiliar na condensação dos vapores d’água, após o resfriamento o ar passa por um processo de secagem na tentativa de remover a água do ar e o que está sob a forma de vapor, além disso sofre uma filtração para eliminar partículas sólidas introduzidas pelo compressor.
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O ar então é armazenado num reservatório que tem duas funções: Garantir uma reserva de ar de maneira a garantir que a pressão da linha se mantenha constante, evitando que o compressor tenha que ser ligado e desligado várias vezes. Note que o consumo de ar na fábrica é variável ao longo do expediente. Alguns compressores, como o compressor de êmbolo (ver adiante) geram pulsos de pressão na compressão do ar. O reservatório evita que esses pulsos de pressão sejam transmitidos para linha pneumática da fábrica. Além do reservatório, o ar é distribuído na fábrica e em cada máquina existe uma unidade de tratamento de ar que irá ajustar as características do ar comprimido de acordo com as necessidades específicas da máquina. O ar comprimido é então convertido em trabalho mecânico pelos atuadores pneumáticos. •
•
3.2 Compressores O compressor é uma máquina responsável por transformar energia mecânica (ou elétrica) em energia pneumática (ar comprimido), através da compressão do ar atmosférico. A abaixo mostra a classificação dos compressores existentes que serão descritos a seguir.
Os compressores de êmbolo e rotativo se caracterizam por comprimir mecanicamente um volume fixo de ar em cada ciclo. Já os turbo-compressores comprime o ar forçando o seu escoamento por um bocal (difusor), ou seja, transforma a sua energia cinética em energia de pressão.
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Compressores Alternativos •
Compressor de êmbolo (pistão)
Este compressor é um dos mais usados e conhecidos, pois é apropriado para qualquer faixa de pressão é de um bar até milhares de bar, ficado as aplicações limitadas pelo volume de aspiração e compressão. O movimento alternativo é transmitido para o pistão através de um sistema de virabrequim e biela, fazendo, assim, ele subir e descer. Iniciando o movimento descendente, o ar é aspirado por meio de válvulas de admissão, preenchendo a câmara de compressão. A compressão do ar tem início com o movimento de subida. Após se obter uma pressão suficiente para abrir a válvula de descarga, o ar é expulso para o sistema.
Para a compressão a pressões mais elevadas, são necessários compressores de vários estágios, limitando assim a elevação de temperatura e melhorando a eficiência da compressão.
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•
Compressor de Membrana
Nesse compressor, o princípio de funcionamento é o mesmo que o de pistão, porém o ar não entra em contato com o êmbolo do pistão o que fás com que o ar produzido seja limpo, sem resíduo de óleo, este tipo de compressor produz um fluxo de ar pulsante se usado sem acumulador. É muito utilizado em equipamentos odontológicos, inaladores aquários etc.
Compressores Rotativos •
Compressor de Palhetas
Trata-se de um rotor que gira no interior de uma carcaça acionado por um motor elétrico ou de combustão. O rotor está excêntrico à carcaça e apresenta palhetas ao seu redor que podem deslizar em fendas existentes no rotor. O volume de ar aspirado é ligeiramente comprimido ao longo do percurso do rotor, o fluxo gerado é pouco pulsante, mas opera em faixas de pressão menores do que a do compressor de êmbolo.
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•
Compressor de Parafuso
Consiste em dois parafusos, cada um ligado a um eixo de rotação sincronizados pro engrenagens e acionado por um motor elétrico ou de combustão, o ar é deslocado continuamente entre os parafusos, com isto não ocorrem golpes e oscilações de pressão, uma vez que não há válvulas de oscilação de pressão e aspiração fornecendo um fluxo de ar extremamente contínuo. São compactos em relação a capacidade de produção e permitem alta rotação, embora sejam caros são os mais preferidos no mercado por fornecer um fluxo contínuo de ar,devem operar à seco com ar isento de óleo.
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Compressor Roots
Consiste em dois lóbulos que se movimentam sincronizados por engrenagens e acionados por um motor elétrico ou de combustão, funciona sem compressão interna sendo usado apenas para o transporte pneumático gerando baixas pressões. A pressão é exercida apenas pela resistência oferecida ao fluxo. O seu campo de aplicação está entre pressões baixas, além do que o seu nível de ruído é muito alto, pelo fato de o movimento de rotação ser feito por engrenagens de sincronização externa, não existe contato entre os rotores e a carcaça. Desta forma, o ar comprimido é fornecido isento de óleo.
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Turbo-Compressores •
Turbo Compressor Axial
O ar é acelerado ao longo do eixo (axialmente) por uma hélice simples ou por uma série de lâminas rotativas. Entre cada conjunto de lâminas do rotor existe um conjunto de lâminas fixas, presas à carcaça, pelas quais o ar passa alternadamente, sendo impelido à alta velocidade, corrigindo o seu turbilhonamento. A seguir, o fluxo é dirigido para o estágio subseqüente, onde uma transformação parcial de velocidade em pressão é executada simultaneamente. Os compressores de fluxo axial tendem a produzir uma vazão constante a razões de pressões variáveis. Possuem maior capacidade de deslocamento mínimo, 900 m³/min e rotações mais elevadas e pressões efetivas altas, fornecem o ar isento de óleo. O ar passa por rodas girantes atinge altas velocidades e no último estágio, através de um difusor, a energia cinética do fluxo de ar é convertida em pressão, porém como em cada estágio a pressão é muito baixa faz se necessário a montagem de muitos estágios para alcançar pressões maiores.
•
Turbo Compressor Radial
A aspiração ocorre no sentido axial sendo o ar conduzido no sentido radial para a saída. Apresentam as mesmas características dos compressores axiais (altas vazões e baixas pressões). Apresentando uma larga faixa de operação. Os compressores de fluxo radial requerem altas velocidades de trabalho. Isto implica também um deslocamento mínimo de ar (10 m³/min). As pressões influem na sua eficiência, razão pela qual geralmente são chamados de geradores de ar comprimido. O resfriamento entre os estágios, a princípio, era realizado através de camisas d’água nas paredes internas do compressor; atualmente, existem resfriadores intermediários separados, de grande porte, devido à sensibilidade à pressão, por onde o ar é dirigido após dois ou três estágios, antes de ser injetado no grupo seguinte.
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Região de atuação de cada compressor no gráfico pressão x volume.
Regulagem de compressores Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar, é necessária uma regulagem dos compressores. Dois valores limites preestabelecidos (pressão máxima/mínima) influenciam o volume fornecido. Existem diferentes tipos de regulagem, conforme mostra o quadro a seguir.
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•
Regulagem com marcha em vazio
Regulagem por descarga: Quando é alcançada a pressão pré-regulada, o ar escapará livre da saída do compressor através de uma válvula. Uma válvula de retenção evita que o reservatório se esvazie ou retorne para o compressor.
Regulagem por fechamento: A admissão do ar é fechada quando a pressão máxima é atingida.
•
Regulagem com carga parcial
Regulagem por estrangulamento: A regulagem se faz mediante simples estrangulamento no funil de sucção, e os compressores podem assim ser regulados para determinadas cargas parciais. Encontra-se esta regulagem em compressores de êmbolo rotativo e em turbocompressores.
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Regulagem na rotação: Sobre um dispositivo, ajusta-se o regulador de rotação do motor a explosão. A regulagem da rotação pode ser feita manualmente ou também automaticamente, dependendo da pressão de trabalho. Este tipo de regulagem também pode ser usado em motores elétricos; porém, isto não ocorre com muita frequência.
•
Regulagem Intermitente
Com esta regulagem, o compressor funciona em dois campos (carga máxima e parada total). Ao alcançar a pressão máxima, o motor acionador do compressor é desligado, e, quando a pressão chega ao mínimo, o motor se liga novamente, e o compressor trabalha outra vez. A freqüência de comutações pode ser regulada em um pressostato e, para que os períodos de comando possam ser limitados a uma medida aceitável, é necessário um grande reservatório de ar comprimido.
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3.3 Secagem do ar comprimido O ar possui água na forma de vapor. Este vapor d'água é aspirado pelo compressor junto com o ar. Esse vapor pode se condensar ao longo da linha dependendo da pressão e temperatura. A água acumulada pode ser eliminada através de filtros separadores de água e drenos dispostos ao longo da linha. No entanto um filtro não pode eliminar vapor d'água e para isso são necessários secadores. Para entendermos os princípios da secagem do ar vamos usar o fato que o ar é equivalente a uma esponja. Se a esponja estiver saturada de água, não poderá absorver mais água. Da mesma forma se a umidade do ar atingir o seu valor máximo, o mesmo não poderá absorver mais vapor d'água. Comprimindo uma esponja não-saturada, diminuímos sua quantidade de água, o que é equivalente a aumentar a pressão do ar e ocorrer condensação do vapor d'água. Ao resfriar a esponja, seus poros diminuem de volume, eliminando água, o que é equivalente a aumentar a temperatura do ar e ocorrer condensação. Essa analogia nos sugere métodos para retirar o vapor d'água do ar. Existem quatro métodos de secagem: Resfriamento; Adsorção; Absorção; Sobrepressão. • • • •
Resfriamento Consiste em se resfriar o ar o que reduz o seu ponto de orvalho. O ar é resfriado circulando-o por um trocador de calor (serpentina com fluido refrigerante)
Processo de resfriamento para a secagem do ar (Parker) O ponto de orvalho (umidade) alcançado com esse método situa-se entre 2ºC e 5ºC. A região após o resfriador é uma região onde há grande ocorrência de condensação na linha pneumática. 26
Adsorção Opera através de substâncias secadoras que por vias físicas (efeito capilar) adsorvem (adsorver admitir uma substância à superfície da outra) o vapor d'água do ar, as quais podem ser regeneradas através de ar quente. Assim os sistemas de adsorção possuem um sistema de circulação de ar quente em paralelo para realizar a limpeza do elemento secador,devem ser usados dois secadores em paralelo, pois enquanto um está sendo limpo o outro pode ser usado.
Secagem por adsorção (Parker) O ponto de orvalho alcançável com esse método está em torno de -20ºC, em casos especiais 90ºC. Em geral, o elemento secador é um material granulado com arestas ou formato esférico. A substância usada é o Dióxido de Sílicio, mais conhecido como "Sílica gel". Trata-se do sistema mais caro em relação aos demais, mas o que é capaz de retirar a maior quantidade de umidade.
Absorção É um processo químico. O ar comprimido passa por uma camada solta de um elemento secador. A água ou vapor d'água que entra em contato com este elemento combina-se quimicamente com ele e se dilui formando uma combinação elemento secador e água. Este composto pode ser removido periodicamente do absorvedor. Com o tempo o elemento secador é consumido e o secador deve ser reabastecido periodicamente (2 à 4 vezes por ano). O secador por absorção separa ao mesmo tempo vapor e partículas de óleo. Porém, grandes quantidades de óleo atrapalham o funcionamento do secador. Devido a isto é usual antepor um filtro fino ao secador. O ponto de orvalho alcançável com esse método é 10ºC. É o método mais barato entre os demais porém o que retira menor quantidade de água. Secagem por absorção (parker)
Sobrepressão Simplesmente aumentando-se a pressão a condensação ocorre de forma mais acentuada e então pode-se drenar água. 27
3.4 Redes de distribuição de ar comprimido As linhas principais (Rede Tronco) são feitas de tubos metálicos ou sintéticos, conectadas às linhas principais estão as linhas secundárias, (Rede Ramal) em geral, tubos metálicos, mangueiras de borracha ou material sintético. As tubulações pneumáticas exigem manutenção regular, razão pela qual não devem, dentro do possível, serem mantidas dentro de paredes ou cavidades estreitas, pois isto dificulta a detecção de fugas de ar. Pequenos vazamentos são causas de consideráveis perdas de pressão. Existem três tipos de redes de distribuição: Rede em circuito aberto Rede em circuito fechado Rede combinada • • •
Rede em circuito aberto A rede em circuito aberto mostrada nas figuras abaixo é a mais simples e deve ser montada com um declive de 0,5 % a 2% na direção do fluxo para garantir a eliminação da água que condensa no interior da linha. Isso ocorre porque o ar fica parado no interior da linha quando não há consumo.
Rede em circuito fechado Este tipo de rede auxilia na manutenção de uma pressão constante, pois proporciona uma distribuição mais uniforme do ar, pois o fluxo circula em duas direções.
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Rede combinada As redes combinadas também são instalações em circuito fechado. No entanto, mediante as válvulas de fechamento existe a possibilidade de bloquear determinadas linhas de ar comprimido quando a mesmas não forem usadas ou quando for necessário colocá-las fora de serviço por razões de manutenção.
Em todas as configurações de rede existirá formação de água condensada (maior ou menor) de acordo com as variações de temperatura, pressão e condições de aspiração do ar portanto é fundamental instalar a tomada de ar das tubulações secundárias na parte superior do tubo principal, desta forma evitase que a água condensada, eventualmente existente na tubulação principal possa chegar aos ramais e consequentemente ao equipamentos. Para interceptar e drenar a água condensada da rede principal devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da tubulação principal.
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3.5 Reservatório de ar comprimido Este reservatório serve para a estabilização da distribuição do ar comprimido. Ele elimina as oscilações de pressão na rede distribuidora e, quando há momentaneamente alto consumo de ar, é uma garantia de reserva. A grande superfície do reservatório refrigera o ar suplementar, por isso se separa, diretamente no reservatório, uma parte da umidade do ar. Os reservatórios devem ser instalados de modo que todos os drenos, conexões e a abertura de inspeção sejam de fácil acesso. Não devem ser enterrados ou instalados em local de difícil acesso; devem ser instalados de preferência fora da casa dos compressores, na sombra, para facilitar a condensação da umidade no ponto mais baixo para a retirada do condensado. Para a determinação do volume do reservatório deve ser observado que o diferencial de pressão (P2-P1) entre o alivio e a carga não seja menor que 0,4 kgf/cm2 para cada etapa do alivio. Outro ponto importante no dimensionamento do reservatório é a capacidade do compressor e a demanda de ar, pois o compressor não deverá exceder de 14 partidas /hora. O ideal é menos 10 partidas por hora, uma a cada 6 minutos e o diferencial de pressão de 1kgf/cm2.
3.6 Vazamentos de ar comprimido As quantidades de ar perdidas através de pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas, conexões danificadas, quando somadas, alcançam elevados valores. A importância econômica desta contínua perda de ar torna-se mais evidente quando comparada com o consumo do equipamento e a potência necessária para realizar a compressão. Desta forma, um vazamento na rede representa um consumo consideravelmente maior de energia. Como o comportamento dos gases é muito complexo devido as variações de pressão e as delimitações de espaço ocupado, a forma mais adequada de analisar os prejuízos causados por vazamento é através de tabelas ou gráficos conforme mostrado a seguir, elaborados através de simulações ou cálculos específicos par cada condição.
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Tratamento e Controle do Ar Comprimido 4.1 Introdução Antes de entrar em cada máquina pneumática o ar passa por uma unidade de tratamento composta por um filtro, uma válvula reguladora de pressão e um lubrificador. Essa unidade tem por objetivo ajustar as características do ar de forma específica para cada máquina A temperatura ambiente não deve ser maior que 50ºC (máximo para copos de material sintético). É muito importante observar o posicionamento da Unidade de Conservação no circuito. A sua instalação deve ser no nível superior ao das válvulas e dos atuadores. Quando isto não for possível, pelo menos o lubrificador deve estar nesta condição. A razão deste cuidado deve-se ao fato de o óleo contido no lubrificador ser arrastado pelo ar até as válvulas, atuadores e ferramentas em forma de névoa. Se o lubrificador se situa em um nível inferior aos componentes a serem lubrificados, o óleo pode se condensar nas paredes dos condutos, prejudicando a lubrificação. Outro ponto a ser observado é a distância máxima do lubrificador aos equipamentos a serem lubrificados, a qual não deve ultrapassar 5 metros, quando se tem um número muito grande de cotovelos no circuito; ou no máximo 10 metros, quando a instalação é retilínea. Caso típico se observa nas grandes indústrias, onde se tem uma linha de ar alimentando vários equipamentos pneumáticos, situados a distâncias consideráveis, e um único lubrificador no início do sistema. Quando se tem uma rede muito extensa, deve-se colocar tantos lubrificantes quantos se fizerem necessários, respeitando a distância máxima permitida.
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4.2 Filtro O filtro serve para eliminar partículas sólidas e líquidas (impurezas, água, etc). A filtração ocorre em duas fases. Uma pré-eliminação é feita por rotação do ar gerando uma força centrífuga, a eliminação fina é feita pelo elemento filtrante. O filtro apresenta um dreno (manual ou automático) para a eliminação de água. A porosidade do elemento filtrante é da ordem de 30 a 70 µm. O nível de água condensada deve ser controlado regularmente, pois a altura marcada no copo indicador não deve ser ultrapassada. A água condensada acumulada pode ser arrastada para a tubulação de ar comprimido e para os equipamentos. Para drenar a água condensada, deve-se abrir o parafuso de dreno no fundo do copo indicador. O cartucho filtrante, quando sujo, também deve ser limpo ou substituído.
4.3 Válvula reguladora de pressão Essa válvula tem a função de manter constante a pressão no equipamento. Ela somente funciona quando a pressão a ser regulada (pressão secundária) for inferior que a pressão de alimentação da rede (pressão primária). Assim essa válvula pode reduzir a pressão, mas jamais aumentá-la. O seu funcionamento ocorre da seguinte forma. Se a pressão secundária diminui em relação a um valor especificado a mola empurra o êmbolo 6 que abre a comunicação com a pressão primária. Se a pressão secundária aumenta, em relação a um valor especificado (por exemplo, devido à um excesso de carga no atuador) então a membrana 1 é atuada pressionando a mola 2 e o êmbolo 6 fecha a comunicação até que a pressão secundária diminua. Se a pressão secundária aumentar demais, então além de ocorrer a situação anterior, a membrana 1 se separa do êmbolo 6, abrindo a comunicação com os furos de exaustão, ocorrendo o escape de ar, o que reduz a pressão secundária. O parafuso 3 permite regular a rigidez da mola 2 e portanto a pressão secundária. Logicamente essa válvula gera uma oscilação de pressão na sua saída (pressão secundária), no entanto tanto menor será essa oscilação quanto melhor forem dimensionados os componentes da válvula.
Válvula de segurança. 33
4.4 Lubrificador •
Efeito Venturi
O efeito Venturi é obtido através da expansão do ar comprimido, Esta expansão converte a energia potencial do ar, em forma de pressão, para energia cinética, em forma de movimento. A velocidade do fluxo aumenta, e a pressão e a temperatura caem, criando uma pressão negativa. O lubrificador tem a função de lubrificar os aparelhos pneumáticos de trabalho e de comando. A alimentação do óleo é feita pelo princípio de Venturi. Essencialmente quando o fluxo de ar passa por uma seção de menor área, a sua velocidade aumenta e a sua pressão diminui, e portanto o óleo contido no tubo é pulverizado no ar. O nível do óleo deve ser verificado periodicamente e a sua dosagem controlada.
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Atuadores Pneumáticos 5.1 Introdução Os atuadores pneumáticos são classificados em atuadores lineares (cilindros ) que geram movimentos lineares e atuadores rotativos (motores) que geram movimentos rotativos que serão descritos a seguir. As principais características dos atuadores pneumáticos são: • • • • • • •
Apresentam baixa rigidez devido à compressibilidade do ar; Não há precisão na parada em posições intermediárias; Apresentam uma favorável relação peso/potência; Dimensões reduzidas; Segurança à sobrecarga; Facilidade de inversa de movimento; Proteção à explosão.
5.2 Atuadores lineares (cilindros) Cilindro de simples ação Consiste de um pistão com uma mola, que ao injetar pressão o êmbolo avança e ao reduzir a pressão a mola retorna o pistão em sua posição inicial. Entre as suas características temos: • • • •
Consumo de ar num sentido; Forças de avanço reduzida (em 10%) devido à mola; Maior comprimento e cursos limitados; Baixa força de retorno (devido à mola).
Tem várias aplicações, em especial em situações de segurança, como freios de caminhão, onde os freios ficam normalmente fechados sob ação da mola, abrindo apenas quando o motor do caminhão está funcionando e fornecendo pressão. Em caso de falha do motor os freios travam. 35
Cilindros de Membrana Consiste num cilindro de simples ação com grande diâmetro possuindo uma membrana ao invés de um pistão. A idéia é fornecer altas forças (até 25000 N) num curso limitado (60 mm) (por problemas de espaço, por exemplo).
É utilizado em aplicações como prensas, mas principalmente no acionamento de servo-válvulas hidráulica
Cilindro de Dupla Ação A atuação é feita por ar comprimido nos dois sentidos, podendo ser aplicado carga tanto no avanço como no retorno, porém a força de retorno sempre será menor que a força de avanço devido a haste ocupar parte do espaço dentro da camisa.Entre as suas características temos: • •
Atuação de força nos dois sentidos, porém com força de avanço maior do que a de retorno; Não permite cargas radiais na haste;
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Cilindro de Dupla Ação com Haste Passante Consiste num cilindro de dupla ação com haste em ambos os lados. Entre as suas características temos: • • •
Possibilidade de realizar trabalho nos dois sentidos; Absorve pequenas cargas laterais; Força igual nos dois sentidos.
Cilindro de múltiplas posições Consiste em dois ou mais cilindros montados em conjunto para alcançar várias posições. Com cilindros de curso desiguais, pode-se obter 2n posições distintas.
É aplicado em mudança de desvios e acionamento de válvulas, etc.
Os cilindros de dupla ação podem ser dotados de amortecimentos nos finais de curso fazendo com que a carga não sofra impactos ao chegar na posição desejada. 37
Simbologia dos Cilindros Lineares
5.3 Cilindros rotativos Neste tipo de cilindro a haste do êmbolo aciona uma Cremalheira acoplada a uma engrenagem, transformando o movimento linear em um movimento rotativo à esquerda ou à direita, sempre segundo a direção do curso. Os campos de rotação usuais são vários, isto é, de 45º, 90º, 180º, 290º, até 720º. Um parafuso de regulagem possibilita, porém, a determinação do campo de rotação parcial dentro do total. O momento de torção depende da pressão, da área do êmbolo e da relação de transmissão.
Oscilador de aleta giratória Como nos atuadores rotativos já descritos, também nos de aleta giratória é possível um giro angular limitado. O movimento angular raramente vai além de 300º. A vedação é problemática, o diâmetro em relação à largura, em muitos casos, somente possibilita pequenos momentos de torção (torque).
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Atuadores Rotativos (Motores) São responsáveis por transformar energia pneumática em trabalho mecânico realizando a operação inversa dos compressores. Entre as características dos motores pneumáticos temos: Inversão simples e direta do sentido de rotação; Regulagem progressiva de rotação e torque. Alta relação peso/potência; • • •
Motor de Engrenagem A geração do momento de torção efetua-se nesta construção pela pressão de ar contra os flancos dos dentes de duas engrenagens engrenadas. Uma engrenagem é montada fixa no eixo do motor; a outra, livre no outro eixo. Estes motores, empregados como máquinas de acionar, estão à disposição com até 44 kw (60 CV). A direção de rotação destes motores, fabricados com engrenagens retas ou helicoidais não é reversível.
Motor de Palhetas De pequeno peso, os motores pneumáticos geralmente são fabricados como máquinas rotativas com palhetas. São, em princípio, contrários aos compressores de células múltiplas (compressor rotativo). O rotor está fixado excentricamente em um espaço cilíndrico e é dotado de ranhuras. As palhetas colocadas nas ranhuras serão, pela força centrífuga, afastadas contra a parede interna do cilindro. A rotação é facilmente invertida dependendo da entrada do ar. A faixa de rotação de um motor de palheta varia de 200 rpm até 10000 rpm e a de potência varia de 50W até 20 kW. É muito usado em parafusadeiras pneumáticas.
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Motores de Pistões Radiais A transformação do movimento linear do pistão ocorre por um mecanismo biela-manivela (como no motor de automóvel). São utilizados em equipamentos de elevação. Entre as características desse motor temos: Elevado torque de arranque e na faixa de rotação; Baixa rotação (até 5000 r.p.m.); Faixa de potência varia de 2W até 20 kW; Comando de fornecimento de ar por distribuidor rotativo. • • • •
Motor de pistões axiais Esse motor apresenta uniformidade no movimento de rotação com um funcionamento silencioso e sem vibrações, sendo utilizado em equipamentos de elevação.
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Motores de Turbina (turbomotores) O turbo motor opera de forma contrária ao turbo-compressor, ou seja, a energia cinética do ar é convertida em movimento rotativo. Apresentam péssimo rendimento devido às altas perdas de ar, sendo econômico apenas para baixas potências, no entanto são capazes de atingir rotações elevadíssimas com baixo torque que variam de 80.000 r.p.m. até 500.000 r.pm. Para baixas rotações e altos torques não é vantajoso a sua utilização pois necessita de ser acoplado a um redutor. Uma aplicação clássica é a "broca do dentista" que chega atingir 500.000 r.p.m. Também usado em fresadoras e retificadoras de alta rotação.
5.4 Tecnologia do vácuo A palavra vácuo, originária do latim “vacuus”, significa vazio. Entretanto, podemos definir tecnicamente que um sistema encontra se em vácuo quando está submetido a uma pressão inferior à pressão atmosférica. Este sistema é muito utilizado na movimentação de cargas de difícil fixação.
Geradores de Vácuo Os geradores pneumáticos de vácuo operam sob o princípio Venturi e são alimentados por um gás pressurizado, geralmente o ar comprimido.
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Ventosas As duas formas mais comuns usadas para fixação e levantamento de materiais ou peças são: Sistema mecânico através, por exemplo, de garras. Por meio do vácuo, utilizando se ventosas. As vantagens do sistema mecânico incluem a facilidade na determinação da força necessária para sustentação e o fato de que área a ser comprimida é relativamente pequena. Como desvantagens, temos a possibilidade de a peça que está sendo fixada ser danificada se a garra não estiver corretamente dimensionada, se as dimensões da peça variarem ou se ela for frágil. Temos ainda que os sistemas mecânicos que quase sempre apresentam alto custo de aquisição, instalação e manutenção. A grande vantagem das ventosas, como sistemas de movimentação, é que elas não danificam as peças. Outras vantagens que podem ser mencionadas são o baixo custo, manutenção simples, bem como a velocidade de operação. Elas podem ser projetadas em diversas formas, dependendo de sua aplicação; entretanto, genericamente, podemos classificá las em três tipos principais.
Ventosas padrão Este é o tipo mais comum para uso em superfícies planas ou ligeiramente curvas. A ventosa padrão pode ser produzida de diferentes formas, em função de sua aplicação. As características que podem variar são: tamanho, material, abas duplas para vedação, luvas de atrito, molas de reforço etc.
Ventosa com fole Este tipo de ventosa destina se principalmente a aplicações que requerem ajuste para diferentes alturas/níveis. As ventosas com fole podem ser usadas em sistemas de levantamento de peças com diversos planos e diferentes formas, como, por exemplo, chapas corrugadas. Elas também dão um certo grau de flexibilidade ao sistema, que pode ser utilizado para separar películas finas. As ventosas com fole podem ser de fole simples ou duplo. Este tipo de ventosa pode também ser usado em aplicações onde a peça não pode ser comprimida, devido ao risco de ser danificada. A ventosa com fole não é adequada para movimentação de superfícies verticais
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Caixa de sucção Este tipo de ventosa pode ser oval, quadrada ou retangular, dependendo da forma da peça a ser movimentada.
No caso de superfícies verticais, a força que sustenta a peça é somente a força de atrito. Nas tabelas de forças de sustentação exercidas pelas ventosas, podemos observar que, no caso de superfícies verticais, estas forças são muito menores que para superfícies horizontais. Como exemplo, uma ventosa de 20mm de diâmetro exerce uma força de levantamento de 11,6N em uma superfície horizontal e somente 5,8N na vertical. A razão para isto é que no caso da superfície vertical a força de levantamento exercida é transformada em força de atrito, e é somente esta força que será aplicada na sustentação do material. Pela mesma razão, as ventosas com luvas de atrito são as mais recomendadas para aplicação em superfícies verticais. Os valores para levantamento de superfícies verticais foram calculados para chapas de aço secas. Desta forma, a força real para cada situação dependerá do atrito da superfície do material a ser movimentado. Veja a seção de ventosas para maiores detalhes. A tabela abaixo mostra a capacidade para ventosas planas, com 75% de vácuo e fator de segurança 2.
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Projetos de Sistemas Pneumáticos 6.1 Dimensionamento de cilindros pneumáticos Dimensionar um cilindro pneumático é encontrar através de cálculos e dados as medidas dos componentes do cilindro para que de acordo com a pressão que o mesmo irá trabalhar efetue a força necessária para a movimentação da carga sem que as partes mecânicas do mesmo sofram danos.
Força de cilindros A força de um cilindro é o produto da pressão pela área submetida a pressão, como a camisa e o êmbolo do cilindro normalmente são circulares a área de avanço é um circulo.
A = área do embolo (cm2) F = força (kgf ) P = pressão (kgf/cm2 ) D = diâmetro (cm)
Força de cilindro de simples ação Os cilindros pneumáticos de simples ação exercem forças somente no avanço neste caso a força de avanço deverá vencer o peso da carga mais a força de oposição da mola interna do cilindro normalmente considera-se a força da mola como sendo aproximadamente 10% da força do cilindro.
A = área do embolo (cm2) Fa = força (kgf ) P = pressão (kgf/cm2 ) Aa= área de avanço (cm2) (área circular do embolo)
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Volume de ar consumido por um cilindro de simples ação
Q = Consumo de ar (L/min) Nc = Número de ciclos por minuto Ct = Comprimento do curso (cm) A = Área de avanço (cm2) Rc = Relação de compressão P = pressão (Kgf/cm2)
Força de cilindro de dupla ação. Um cilindro de dupla ação exerce força tanto no avanço como no retorno porém a força de retorno sempre será menor se a pressão de avanço e de retorno for a mesma.
Força de Avanço
Fa = força de avanço (kgf ) P = pressão (kgf/cm2 ) Aa = Área de avanço
Força de retorno
Fr = força de retorno (kgf ) P = pressão (kgf/cm2 ) Ar = Área de retorno (cm2) Aa = Área de avanço (cm2) Ah = Área da haste (cm2)
Volume de ar consumido por um cilindro de dupla ação O volume total de ar consumido por um cilindro de dupla ação é dado pela seguinte equação:
Q = Vazão de ar (litros / min) Va = Volume de ar consumido no avanço (litros) Vr = Volume de ar consumido no retorno (litros) Nc = Número de ciclos por minuto 45
Va = volume de ar consumido no avanço (litros) Aa = Área de avanço (cm2) Rc = Relação de compressão Ct = Curso de trabalho (cm)
Vr = volume de ar consumido no retorno (litros) Ar = Área de retorno (cm2) Rc = Relação de compressão Ct = curso de trabalho (cm)
Dimensionamento da haste Ao dimensionarmos um cilindro para movimentar uma determinada carga devemos levar em consideração o diâmetro mínimo da haste para que possa movimentar a carga desejada sem ocorrer a flambagem da haste, este procedimento é feito pela seguinte equação:
dh = diâmetro da haste (cm) S = Coeficiente de segurança (3,5) Cf = Comprimento de flambagem (2 vezes o curso em cm) Fa= Força de avanço (kgf) ( peso da carga a movimentar) E = módulo de elasticidade do aço (2,1 x 10 6) Ou
F = Força de avanço (kgf) ( peso da carga a movimentar) J = momento de inércia (0,0491) Após calculado o diâmetro mínimo da haste, escolhe em um catálogo de qualquer fabricante um cilindro com o diâmetro da haste igual ou maior o calculado.
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A escolha do cilindro deve contemplar • • • •
Força de avanço; Força de retorno; Curso; Diâmetro mínimo da haste.
Quando já possui o cilindro para a aplicação pode ser verificada a carga máxima de flambagem da haste através da seguinte fórmula.
Cmf = Carga máxima de flambagem E = módulo de elasticidade do aço (2,1 x 10 6) J = momento de inércia (0,0491) d = diâmetro da haste (cm) Cf = Comprimento de flambagem (2 vezes o curso em cm) S = Coeficiente de segurança (3,5)
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Dimensionamento da Rede de Ar 7.1 Dimensionamento de rede secundária (ramal) A rede ramal pode ser calculada pelo método da perda de carga, porém como geralmente são inferiores a 10 metros adotamos o critério da máxima velocidade admissível.
Onde D = diâmetro da tubulação (cm) Q = Vazão de ar (m3 / min) V = velocidade de escoamento admitida entre 7 e 10 m/s R = Relação de compressão dada pela fórmula
Obs. Se o comprimento do ramal for maior que 10 metros deverá ser adotado o critério da perda de carga.
7.2 Dimensionamento de rede principal (tronco) Para o dimensionamento de redes principais o critério mais utilizado é o critério da perda de carga onde considera um valor de perda de carga ∆p aceitável para a rede, e considera as perdas de carga geradas por conexões e válvulas como comprimento equivalente linear portanto além de formulas e cálculos é necessário fazer utilização da tabela de perda de carga em conexões. Onde D = diâmetro da tubulação (cm) L = comprimento da tubulação (m) Q = Vazão de ar (m3 / min) ∆p = perda de carga total admitida para a rede (valor admitido máximo 0,08 Kgf/cm2 para cada 100 metro de tubulação. 48
Obs. Alguns engenheiros adotam ∆p entre 0,3 e 0,5 Kgf/cm2 para redes até 500 metros e 0,5 Kgf/cm2 para redes de comprimento acima de 500 metros. Após realizado este cálculo se obtêm um diâmetro de referência para a conversão das conexões em tubulação linear, e efetua o cálculo novamente com o novo comprimento (tubulação linear + comprimento equivalente das conexões).
Feito isso adota um diâmetro comercial mais próximo do calculado, por garantia de pressão estável adota-se a bitola imediatamente superior ao calculado. As curvas devem ser feitas no maior raio possível para evitar perdas excessivas por turbulência. Evitar sempre a colocação de cotovelos de 90 graus. A curva mínima deve possuir um raio mínimo de duas vezes o diâmetro externo do tubo.
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Válvulas Pneumáticas 8.1 Introdução As válvulas comandam e influenciam o fluxo de ar comprimido. Existem quatro tipos de válvulas: • •
• •
Válvulas Direcionais: comandam a partida, parada e sentido de movimento do atuador; Válvulas de Bloqueio: bloqueiam o fluxo de ar preferencialmente num sentido e o liberam no sentido oposto; Válvulas de Fluxo: influenciam a vazão de ar comprimido; Válvulas de Pressão: influenciam a pressão do ar comprimido ou são comandadas pela pressão.
8.2 Simbologia Número de posições: contadas a partir do numero de quadrados da simbologia.
Número de vias: contadas a partir do número de conexõs que a válvula possui em apenas uma posição.
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8.3 Identificação Para garantir a identificação e a ligação correta das válvulas, marcam-se as vias com letras maiúsculas ou números, conforme o quadro a seguir.
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8.4 Acionamentos e acessórios
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8.5 Válvulas especiais Válvulas de centro fechado (CF)
Válvulas de Centro Aberto Positivo (CAP)
Válvulas de Centro Aberto Negativo (CAN)
8.6 Válvulas memória São válvulas de duas posições acionadas por duplo piloto que permanecem na posição até receber novo comando.
8.7 Escapes Os escapes das válvulas são representados por triângulos. Quando encontrarmos o triângulo junto à simbologia da válvula, ele estará representando um escape livre, ou seja, sem conexão.
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8.8 Válvulas acionadas Válvulas direcionais acionadas mecânica, elétrica ou pneumaticamente podem ser encontradas e representadas em circuitos de duas formas diferentes: em posição de repouso (não acionada) ou de trabalho (acionada).
8.9 Circuitos com válvula 3/2 vias
8.10 Circuitos com válvula 5/2 vias
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8.11 Válvula de controle de fluxo São válvulas que controlam o fluxo (vazão) dos fluidos. Seu principal emprego é na regulagem das velocidades dos elementos de trabalho (atuadores).
8.12 Válvula de controle de fluxo bidirecional Estas válvulas têm influência sobre a quantidade de ar comprimido que flui por uma tubulação; a vazão será regulada em ambas as direções do fluxo.
São válvulas que controlam o fluxo (vazão) dos fluidos. Seu principal emprego é na regulagem das velocidades dos elementos de trabalho (atuadores). Nestas válvula, a regulagem do fluxo é feita somente em uma direção. Uma válvula de retenção fecha a passagem numa direção e o ar pode fluir somente através da área regulada. Em sentido contrário, o ar passa livre através da válvula de retenção aberta.
8.13 Válvula alternadora (elemento OU) Esta válvula tem duas entradas, X e Y, e uma saída, A. Entrando ar comprimido em X, a esfera fecha a entrada Y e o ar flui de X para A. Em sentido contrário, quando o ar flui de Y para A, a entrada X será fechada. No retorno do ar, quer dizer, quando um lado de um cilindro ou de uma válvula entra em exaustão, a esfera permanece na posição em que se encontrava antes do retorno do ar. Esta válvula é utilizada para selecionar os sinais das válvulas-piloto provenientes de diversos pontos e evita o escape do ar de uma segunda válvula. Podendo ser um cilindro ou uma válvula acionada de dois ou mais pontos diferentes alternados. 56
8.14 Válvula de simultaneidade (elemento E) Esta válvula tem duas entradas, X e Y e uma saída A. Só haverá uma saída em A, quando existirem os dois sinais de entrada X “E” Y. Um sinal de entrada em X ou Y impede o fluxo para A, em virtude das forças diferenciais no pistão corrediço. Existindo diferença de tempo nos sinais de entrada, o sinal atrasado vai para a saída. Quando há diferença de pressão dos sinais de entrada, a pressão maior fecha um lado da válvula, e a pressão menor vai para a saída A. Emprega-se esta válvula principalmente em comando de bloqueio, comandos de segurança e funções de controle em combinações lógicas.
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8.15 Válvula de escape rápido As válvulas de escape rápido se prestam para aumentar a velocidade dos êmbolos dos atuadores. Tempos de retorno elevados, especialmente em cilindros de ação simples. A válvula está provida de conexão de pressão P e conexão de escape R bloqueáveis. Se tivermos pressão em P, o elemento de vedação desloca-se ao assento do escape. Dessa forma, o ar atinge a saída pela conexão de utilização. Quando a pressão em P deixa de existir, o ar, que agora retorna pela conexão A, movimenta o elemento de vedação contra a conexão P, e provoca seu bloqueio. Dessa forma, o ar pode escapar por R, rapidamente, para a atmosfera. Evita-se, com isso, que o ar de escape seja obrigado a passar por uma canalização longa e de diâmetro pequeno, até a válvula de comando. O mais recomendável é colocar o escape rápido diretamente no cilindro ou, então, o mais próximo possível do atuador.
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8.16 Válvula limitadora de pressão É formada por uma vedação de assento cônico, mola e um parafuso de ajuste. Quando a pressão em P assume um valor que corresponde à tensão da mola, o cone de vedação se desloca de seu assento e libera o caminho ao escape. A fim de evitar defeitos oscilatórios devido às pequenas variações de pressão, existe um volume maior antes do cone de vedação, que possui um escape para A apenas por um ponto de estrangulamento. São também conhecidas como válvulas de sobrepressão ou válvulas de segurança.
8.17 Válvula de seqüência O funcionamento é muito similar ao da válvula limitadora de pressão. Abre-se a passagem quando é alcançada uma pressão superior à ajustada pela mola. Quando no comando Z é atingida uma certa pressão pré-ajustada, o êmbolo faz atuar uma válvula 3/2 vias, de maneira a estabelecer um sinal de saída em A. Estas válvulas são usadas em comandos pneumáticos que atuam quando há necessidade de uma pressão fixa para o processo de comutação (comandos em função da pressão). O sinal é transmitido somente quando for alcançada a pressão de comando.
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8.18 Temporizadores pneumáticos Esta unidade consiste de uma válvula direcional de 3/2 vias, com acionamento pneumático, de uma válvula reguladora de fluxo unidirecional e um reservatório de ar. O ar de comando flui da conexão Z para a válvula reguladora de fluxo e de lá, através de área regulada, com velocidade e pressão mais baixa, para o reservatório. Alcançada a pressão necessária de comutação, o êmbolo de comando afasta o prato do assento da válvula, dando passagem ao ar principal de P para A. A abertura efetua-se instantaneamente (válvula de sede). O tempo de aumento da pressão no reservatório é igual ao do retorno do comando da válvula. Para que a válvula de retardo retorne à posição inicial, é necessário que escape o ar de comando de comando Z. O ar do reservatório escapa através do sistema de retenção da válvula de regulagem e dos dutos de comando. A mola da válvula direcional de 3/2 vias pressiona o prato da válvula contra a sede, fechando-a instantaneamente, e o ar de A escapa por R.
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Técnicas de Desenvolvimento de Circuitos 9.1 Introdução Nos procedimentos de comando um pouco mais complicados, em que se deve reparar instalações de certa complexidade, é uma grande ajuda para o técnico de manutenção dispor dos esquemas de comando e seqüências, segundo o desenvolvimento de trabalho das máquinas. Quando o pessoal de manutenção não utiliza estes esquemas de forma correta, os motivos são a sua má confecção, ou a falta de conhecimento técnico. A insegurança na interpretação de esquemas de comando torna impossível por parte de muitos a montagem ou a busca de defeitos de forma sistemática. Atingindo este ponto, pode-se considerar pouco rentável ter que basear a montagem ou busca de defeitos em testes e adivinhações. É preferível, antes de iniciar qualquer montagem ou busca de avaria, realizar um estudo de esquema de comando e da seqüência da máquina, para ganhar tempo posteriormente. Para poder levar os esquemas de comando e seqüências para a prática, é necessário conhecer as possibilidades e procedimentos normais de representação destes.
Veja o sistema abaixo: Pacotes chegam sobre um transportador de rolos são levados por um cilindro pneumático A e empurrados por um segundo cilindro B sobre um segundo transportador. Nisto, devido ao enunciado do problema, o cilindro B deverá retornar apenas quando A houver alcançado a posição final recuada.
1. O cilindro A avança e eleva os pacotes, 2. O cilindro B empurra os pacotes sobre o segundo transportador; 3. O cilindro A desce; 4. O cilindro B retrocede.
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9.2 Representação abreviada em seqüência Algébrica Neste tipo, a letra maiúscula representa o atuador, enquanto que o sinal algébrico o movimento. Sinal positivo (+) para o avanço e negativo (-) para o retorno. Exemplo: A + , B + , A - , B - .
9.3 Representação em diagrama trajeto-passo Neste caso se representa a seqüência de operação de um elemento de trabalho, levando-se ao diagrama o valor percorrido em dependência de cada passo considerado (passo: variação do estado de qualquer unidade construtiva). Se existirem diversos elementos de trabalho para um comando, estes são representados da mesma maneira e desenhados uns sob os outros. A correspondência é realizada através dos passos. O diagrama de trajeto e passo, para o exemplo apresentado, possui construção conforme a figura abaixo.
9.4 Representação em diagrama trajeto-tempo O trajeto de uma unidade construtiva é representado em função do tempo. Contrariamente ao diagrama de trajeto e passo; neste caso, o tempo é representado linearmente, e constitui a ligação entre as diversas unidades. O diagrama de trajeto e tempo, para o exemplo apresentado, possui construção segundo a figura abaixo.
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9.5 Diagrama de comando Representação de acionamento dos emissores de sinal
9.6 Designação dos elementos Os circuitos pneumáticos são compostos de elementos que são identificados por números de acordo com sua função. •
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0.1, 0.2, 0.3... Elementos auxiliares influenciam em todo o circuito. Ex.: Lubrifil, válvulas de fechamento. 1.2, 1.4, 2.2, 2.4... Elementos de sinal com número final par influenciam no avanço dos atuadores lineares ou no sentido de rotação à direita dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas direcionais 3/2 acionadas por botão, pedal, rolete. 1.3, 1.5, 2.3, 2.5... Elementos de sinal com número final ímpar influenciam no retorno dos atuadores lineares (cilindros) ou no sentido de rotação à esquerda dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas direcionais 3/2 acionadas por botão, pedal, rolete. 1.6, 2.6... Elementos processadores de sinal com número final par influenciam no avanço dos atuadores lineares (cilindros) ou no sentido de rotação à direita dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas E, válvulas OU, temporizadores. 1.7, 2.7... Elementos de sinal com número final ímpar influenciam no retorno dos atuadores lineares (cilindros) ou no sentido de rotação à esquerda dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas E, válvulas OU, temporizadores. 1.1, 2.1, 3.1... Elementos de comando influenciam nos dois sentidos de movimentos dos atuadores (o primeiro número indica o atuador a ser comandado). Ex.: Válvulas direcionais. 1.02, 1.04... Elementos auxiliares com número final par influenciam no avanço dos atuadores lineares (cilindros) ou no sentido de rotação à direita dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas reguladoras de fluxo, escape rápido. 1.03, 1.05... Elementos auxiliares com final ímpar influenciam no retorno dos atuadores lineares (cilindros) ou no sentido de rotação à esquerda dos atuadores rotativos (motores). Ex.: válvulas reguladoras de fluxo, escape rápido. 1.0, 2.0... Elementos de trabalho. Ex.: Atuadores lineares ou rotativos (motores pneumáticos, osciladores, atuadores lineares). 63
9.7 Desenvolvimento de circuitos pelo método Intuitivo Considere o projeto de um circuito pneumático que execute a seqüência direta A+B+A-B-. As etapas para o projeto desse circuito usando o método intuitivo são. 1º Desenhar os elementos de trabalho 2º Desenhar as válvulas direcionais e reguladoras de fluxo 3º Desenhe os elementos de sinal 4º Fazer as ligações com linhas cheias para tubulação de pressão constante e tracejada para sinais.
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Exemplo: Circuito para a seqüência A+ B+ A- B1º passo: acionando um botão de partida, deverá ocorrer o avanço do cilindro A, que é o primeiro passo da seqüência de movimentos
2º passo: quando o cilindro A alcançar o final do curso de avanço, acionará o rolete de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o avanço do cilindro B, que é o segundo passo da seqüência de movimentos
3º passo: quando o cilindro B alcançar o final do curso de avanço, será acionado o rolete de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o retorno do cilindro A, que é o terceiro passo da seqüência de movimentos
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4º passo: quando o cilindro A alcançar o final do curso de retorno, acionará o rolete de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o retorno do cilindro B, que é o último passo da seqüência de movimentos
5º passo: Fim do ciclo:
Sobrepressão A figura abaixo ilustra um circuito pneumático projetado usando o método intuitivo para a seqüência indireta A+B+B-A-.
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Observe que este circuito não funciona! Acionando-se a válvula 1.2, o cilindro A deveria avançar. Entretanto, note que o cilindro B, parado na sua posição final traseira, mantém acionada a válvula 1.3 pressurizando o piloto Y da válvula 1.1, o que evita que a válvula 1.2 dê a partida no circuito. Outra sobreposição de sinais ocorre quando o cilindro B acionar a válvula 2.3 que deve pilotar o retorno do cilindro B. No entanto, o cilindro A mantém acionada a válvula 2.1 pressurizando o piloto Z da válvula de comando 2.1 e evitando que a válvula 2.3 possa pilotar o retorno do cilindro B. Existem três formas de contornar este problema desde que sejam identificados os sobre-sinais. • • •
Com a utilização de fim de curso gatilho Com a utilização de válvula memória Com a utilização de temporizador
9.8 Desenvolvimento de circuitos pelo método passo a passo Este método visa eliminar todos os problemas de sobre pressão durante o desenvolvimento sistemático do diagrama pneumático garantindo que uma válvula estará sujeita a somente um sinal durante o processo.
1º passo: Escrever a Seqüências de movimentos e dividir em grupos de forma que cada letra correspondente aos atuadores é referente a um grupo. 2º passo: Desenhar os atuadores com posicionamento dos elementos de sinal, válvulas direcionais correspondentes, regulagem de fluxo, escape rápido etc. 3º passo: Desenhar linhas paralelas na horizontal da folha do desenho. Número de linhas = o número de grupos. NL= NG 4º passo: Desenhar as válvulas memórias (direcionais 3/2vias) Número de válvulas memórias = número de grupos Nv = NG uma ao lado da outra abaixo das linhas horizontais, sendo que a ultima válvula memória deverá ser desenhada acionadas (ultimo pulso do lado esquerdo) de forma que nesta condição ela alimente a ultima linha, coloque a penúltima linha para a descarga e garanta o posicionamento oposto das demais válvulas memórias. 5º Passo: desenhar os elementos de partida e reciclo do lado esquerdo da primeira válvula memória, de forma que o sinal de saída dos mesmos acione a primeira válvula memória. 6º passo: Desenhar os elementos de sinal que fazem as mudanças de grupos do lado esquerdo das válvulas memórias de forma que a linha correspondente desta válvula retorne a condição da válvula do grupo anterior. 7º Passo: Desenhar os demais elementos acima das linhas horizontais em suas devidas posições, acionando as respectivas válvulas e alimentados da linha de mesmo número do grupo que ele pertence, pois esta só terá ar durante a operação de seu grupo.
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